DE2052429A1

DE2052429A1 - Warmepumpenanlage

Info

Publication number: DE2052429A1
Application number: DE19702052429
Authority: DE
Inventors: Garland Lee Arlington Va Kendnck (V St A )
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1969-10-28
Filing date: 1970-10-26
Publication date: 1971-04-29
Also published as: US3608625A; GB1266998A; BE757754A; DE7039478U; FR2066185A5; NL7015404A

Description

PATfNrANWXiTE

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 2052 429

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

TELEFON: 395314 2000 H AM B U RG 50, **10, /0

TELEGRAMME= KARPATENT KDN IGSTRASSE 28

W. 24 372/70 12/Fl

The Singer Company
Elizabeth, New Jersey (V.St.A.)

Wärmepumpenanlage

Die -Erfindung bezieht sich auf einen Behälter für eine Warmepumpenanlage mit geschlossenem Kreislauf sowie auf eine solche Heizpumpenanlage, welche mit einer Mehrzahl von Wärmepumpen versehen ist, die in. verschiedenen Zonen eines ^ebäudes angeordnet werden können, um diese G-ebäudezonen wahlweise zu erwärmen oder zu kühlen. Die Wärmepumpenanlage umfaßt eine geschlossene Schleife, in der ein Wärmeaustauschmeaium kontinuierlich umlaufen gelassen und durch jede der Wärmepumpen hindurchgeführt wird. Die V/ä rme pump en an lage mit geschlossenem Kreislauf ist in ein Temperatursteuerzentrum oder einen Speicherbehälter geschaltet, der mit in ihm angeordneten, zu einer Einheit verbundenen Kühl- und Heizeinrichtungen versehen ist. in dem Speicherbehälter ist eine Steuereinrichtung angeordnet, welche die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung arbeitsmäßig steuert, um die Temperatur des Wärmeaustauschmediums innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu halten. Die Kühleinrichtung 'umfaßt einen Kühlbehälter, der sich durch den Speicherbehälter hindurcherstreckt«,

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-Eine -Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. ·; Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Wärmepumpenanlage mit geschlossenem Kreislauf. Figo 2 ist eine teilweise im Schnitt gehaltene

Seitenansicht eines Speicherbehälters oder Temperatursteuerzentrums gemäß der Erfindung. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer der einzelnen Wärmepumpeneinrichtungen zum Klimatisieren von Gebäudezonen durch Erwärmen oder Kühlen dieser Zonen.

In Fig. 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Wärme- ψ pumpenanlage mit geschlossenem Kreislauf dargestellt, die eine allgemein mit 12 bezeichnete geschlossene Wärmepumpenschleife aufweist, in der ein Wärmeaustauschmedium, wie Wasser, mittels einer Umlaufpumpe 14 durch eine Mehrzahl von einzelnen Wärmepumpen 16 hindurch kontinuierlich umlaufen gelaasen wird, die in die geschlossene Schleife 12 geschaltet und in den verschiedenen zu klimatisierenden Zonen eines Gebäudes angeordnet sind. Die Wassertemperatur wirdzwischen einen vorbestimmten minimalen Wert und einen vorbestimmten maximalen ^ert gehalten, die sich während der verschiedenen Jahreszeiten ändern können, jedoch liegt sie üblicherweise irgendwo innerhalb des Bereiches von etwa 15° bis 60° C (60° bis 140° F).

Ein Speicherbehälter oder Temperatursteuerzentrum 18 ist in die geschlossene Wärmepumpenschleife 12 geschaltet, um die Temperatur des darin umlaufenden Wassers durch Erhitzen oder Kühlen des Wassers in gesteuerter Weise, wie es nachstehend näher beschrieben wird, aufrechtzuerhalten, so daß das Wasser, welches aus dem Behälter 18 in Zufuhrleitungen 20 der geschlossenen Wärmepumpenschleife 12 abgegeben wird, die gewünschte Temperatur zur Abgabe an die einzelnen Wärmepumpen 16 hat, in denen Wärme entwe-

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der absorbiert oder zurückgewiesen wird und aus denen das Wasser in Rückführleitungen 22 abgegeben wird, welche das «aaser zum Vervollständigen des Kreislaufs in den Speicherbehälter 18 zurückführen. i*ie einzelnen Wärmepumpen 16 sind, wie aus -^ig. 1 ersichtlich, in der geschlossenen Schleife 12 in paralleler -Anordnung zwischen die Zufuhrleitungen 20 und die -Kückführleitungen 22 geschaltet.

Die geschlossene Wärinepumpenschleif e 12 kann weiterhin Ventile enthalten, um die Strömung zu steuern und die Wartung der Anlage 10 zu ermöglichen, beispielsweise Ventile 24 und 26 auf der. ^eite der Zufuhrleitungen 20 bzw. auf der Seite der ^ückfuhrleitungen 22 für jede der einzelnen Wärmepumpen 16, wodurch das Herausnehmen irgendeiner einzelnen Einrichtung ermöglicht wird, ohne daß die gesamte Anlage 10 stillgesetzt werden muß.

Der Speicherbehälter oder das Temperatursteuerzentrum 18 wird in der Fabrik zusammengebaut und weist ein Gehäuse 28 auf, auf dem eine Steuertafel 30 angebracht ist. Ein Bohre enthaltender kühlender Wärmeaustauscher 32 ist so angeordnet, daß er sich durch den oberen Teil des Gehäuses 28 hindurcherstreckt. Eine Mehrzahl von elektrischen Taucherhitzern 34 ist im Inneren des Gehäuses nahe dessen Boden fest angeordnet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Der Röhren-Wärmeaustauscher 32 ist in eine Kühlschleife 36 geschaltet (Fig. 1), in der ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, mittels einer Umlaufpumpe 38 von der einen Seite des Wärmeaustauschers 32 so umlaufen gelassen wird, daß es zu einem Kühlturm 40 gelangt, um seine Tempejatur auf eine in der Technik bekannte Weise zu verringern, bevor es auf der gegenüberliegenden Seite des Wärmeaustauschers 32 in dessen Rohrbündel 42 zum erneuten Umlauf zurückkehrt, -^as Wasser aus der geschlossenen Schleife 12 tritt in die Gehäuseseite 44 des Wärmeaustauschers 32 an einem Gehäuseeinlaß 46 ein, um in Gejenstrom-WärmeaustauschbeZiehung zu dem Wasser zu

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_ lit' w-

fließen, das aus der Kühlschleife 36 in das Rohrbündel 42 strömt. Danach verläßt das %sser aua der geschlossenen -Schleife 12 den Wärmeaustauscher 32 über eine Öffnung 48 und wird in den Speicher- oder Heizteil des Temperatursteuerzentrums oder Behälters 18 abgegeben. Die in gestrichelten Linien dargestellten Pfeile in dem Behälter 18 deuten den I'ließweg des umlaufenden Wassers an, welches aua der Zufuhrleitung 20 in den Behälter 18 eintritt und schließlich an einem Auslaß des Gehäuses 28 zum Wiederumlauf in der Zufuhrleitung abgegeben wird.

Während derjenigen Zeiten, während denen ein Kühlen

ψ des Wassers in der geschlossenen Wärmepumpenschleife erforderlich ist, sind die Kühlschleife 36 und der Wärmeaustauscher 32 v.irksam. Wenn jedoch die Temperatur des V/assers innerhalb des gewünschten Bereiches liegt oder dem Wasser Wärme zugeführt werden muß, wird die Kühlschleife 36 abgeschaltet, und das Wasser fließt aus der geschlossenen Schleife 12 lediglich durch den Wärmeaustauscher 32 hindurch, wobei im wesentlichen kein Einfluß auf seine Temperatur vorhanden ist.

Wenn eine Erwärmung des Wassers in der geschlossenen Schleife 12 erforderlich ist, werden eine oder mehrere der elektrischen Taucherhitzer 34 wirksam gemacht, um dem Wasser in dem Behälter 18 Wärme zuzuführen, so daß

" die Temperatur des Wassers vor seinem Eintritt in die Zufuhrleitung 20 auf den gewünschten ^wert erhöht wird. Demgemäß sind nicht dargestellte elektrische oder pneumatische Steuerungen an der ^teuertafel 30 angebracht und arbeitsmäßig in die Wärmepumpenanlage 10 geschaltet, um zu gewährleisten, daß die Temperatur des Wassers, das in der geschlossenen Wärmepumpenschleife 12 umläuft, innerhalb des gewünschten Bereiches gehalten wird, indem wahlweise ein Kühlen oder ein Erwärmen des Wasser - innerhalb des Temperaturateuerzentrums oder Behälters

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hervorgerufen wird» Zusätzlich kann die ^teuertafel 30 mit anderen Betriebssteuerungen und -"larineinrichtungen ausgerüstet sein, die ein fehlerhaftes .Arbeiten der Warmepumpenschleife 12 anzeigen, welches sich durch zu niedrigen Wasserstand in dem Behälter 18,durch fehlende Wasserströmung, durch zu niedrige Wassertemperatur oder üurch zu hohe Wassertemperatur ergeben kann.

Der Behälter 18 weist das zylindrische Gehäuse 28 auf, in welchem der Wärmeaustauscher 32 einstückig gebildet ist und in welchem die elektrischen Taucherhitzer 34 befestigt sind. Die ^teuertafel 30 ist auf der Oberseite des Gehäuses 28 angebracht, so daß alle Betriebssteuerungen und Alarmeinrichtungen zentral angeordnet sind. Der vollständige Behälter 18 kann in der Fabrik zusammengebaut und darauffolgend zum Ort des Gebäudes transportiert werden, wo er in die Anlage 10 dadurch eingebaut wird, daß einfach die elektrischen Betriebsleitungen und die Tvasserrohrleitungen angeschlossen werden.

Zugang zum Inneren des Gehäuses 28 ist durch einen abnehmbaren Mannlochdeckel 52 geschaffen.

Jede der Gebäudezonen, die klimatisiert werden sollen, enthält wenigstens eine der einzelnen Wärmepumpen 16, die von der Art sein können, wie sie in ^¹ ig. 3 dargestellt ist, und die eine allgemein mit 54 bezeichnete umkehrbare Kühleinrichtung aufweist und in einem Gehäuse 56 eingeschlossen ist, durch welches die geschlossene Wärmepumpenschleife 12 in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Wärmeaustauscher 58 der Kühleinrichtung 54 hindurchgeht. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeaustauscher 58 ein solcher, in dem Wärme zwischen einem Kühlmittel und Wasser ausgetauscht wird» Die Kühleinrichtung 54 umfaßt weiterhin einen Verdichter 60, ein Vierwege-Umkehrventil 62, einen Wärmeaustauscher 64 mit Rohrschlangen, die der Luft ausgesetzt sind, welche durch das Arbeiten eines Gebläses 66 durch das Heiz-

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pumpengehäuse 56 umlaufen gela8sen wird, ein kapillar- _; drosselrohr 68 und eine geschlossene Kühlmittelumlaufschleife 70.

Der Klimatisierkreislauf der Wärmepumpe 16 kann im Ansprechen auf eine Einrichtung, beispielsweise einen nicht dargestellten Vifandthermostat automatisch gesteuert werden, der die ^teilung des Ventils 62 einstellt, um den Stromungsweg des Kühlmittels in der Schleife 70 zu bestimmen, so daß ein Erwärmen oder Kühlen erhalten wird. Die in Fig. 3 in ausgezogenen Linien wiedergegebene Stellung des Ventils 62 entspricht dem Heizkreislauf. Die Kühlkreislauf stellung des Ventils 62 ist durch

ψ punktierte Linien dargestellt, und diese Stellung wird durch -Drehen des Ventils um 90° erhalten.

Im Heizkreislauf pumpt der Verdichter 60 heißes komprimiertes Kühlmittelgas zu dem luftseitig angeordneten Wärmeaustauscher 64, in welchem das Kühlmittelgas zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, indem es Wärme an die Luft abgibt, die von dem Gebläse 66 über den Wärmeaustauscher 64 gezogen wird. Auf diese Weise wird die Luft in der Wärmepumpe 16 erwärmt und zu der Zone zurückgeführt. Das flüssige Kühlmittel fließt durch das Kapillardrosselrohr 68 hindurch, das in ihm einen Druckabfall hervorruft, und dehnt sich zu einem Gas innerhalb

* des gleichachsigen Wärmeaustauschet 58 aus, in dem das Kühlmittel Wärme aus dem Wasser aufnimmt, welches in der geschlossenen Schleife 12 umläuft. Das Kühlmittelgas strömt nunmehr durch das Ventil 62, das aich in der in ausgezogenen Linien wiedergegebenen Stellung befindet, hindurch zur Saugseite des Verdichters 60, wonach der Kreislauf wiederholt wird.

Wenn ein Kühlen erforderlich ist, nimmt das Ventil ■ die in punktierten Linien wiedergegebene Stellung ein, so daß der Verdichter 60 heißes komprimiertes Kühlmittelgas zu dem gleichachsigen Wärmeaustauscher 58 pumpt, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Wasser

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stattfindet und in welchem das Gas zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, indem es seine Wärme an das in der geschlossenen Schleife 12 umlaufende Wasser abgibt. Das flüssige Kühlmittel fließt durch das Kapillardrosselrohr 68 hindurch, das in ihm einen Druckabfall hervorruft, und dehnt sich zu einem Gas in dem luftseitigen Wärmeaustauscher 64 aus, indem es Wärme aus der wärmeren Zonenluft aufnimmt, die durch die Wirkung des Gebläses 66 zur Wärmepumpe 16 zurückgeführt wird. Die Luft wird abgekühlt und aus der Wärmepumpe 16 in die Zone abgegeben. Das Kühlmittelgas strömt aus dem Wärmeaustauscher 64 durch das Ventil 62, das sich in der in punktierten Linien wiedergegebenen Stellung befindet, hindurch zur Saugseite des Verdichters 60, wonach der Kreislauf wiederholt wird.

Beim Arbeiten der Anlage im Sommer führen die Y/ärmepumpen 16 dem in der geschlossenen Schleife 12 umlaufenden Wasser Warme zu, so daß das zu dem Behälter 18 zurückkehrende Wasser in dem Wärmeaustauscher 32 gekühlt wird, indem es in Gegenstrom-Wärmeaustauschbeziehung zu dem in der Kühlschleife 36 umlaufenden Wasser strömt. Beim Arbeiten der Anlage im Winter werden die Wärmepumpen 16 im wesentlichen so betätigt, daß sie die verschiedenen Zonen erwärmen, indem zusätzliche Wärme dem in der geschlossenen Schleife 12 umlaufenden Y/asser entnommen^ wird, so daß das Wasser bei Rückkehr zum Behälter 18 durch das Arbeiten der elektrischen Taucherhitzer 34 wieder erhitzt werden kann.

Beim Arbeiten der Wärinepumpenanlage 10 im Frühling und im Herbst kmnen einige der Wärmepumpen 16 im Heizkreislsuf und andere im Kühlkreislauf betrieben werden, so daß Wärme dem in der geschlossenen Schleife 12 umlaufenden Wasser zugeführt und von ihm abgenommen wird. Die Temperatur des in der geschlossenen Schleife 12 umlaufenden Y/as3ers wird am Behälter 18 gesteuert, so daß, wenn die

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Nettowirkung der einzelnen Wärmepumpen 16 zu einer
Änderung der Temperatur des umlaufenden Wassere über
oder unter den gewünschten Wert führt, die Kühleinrichtung bzwο die Heizeinrichtung zur Hrkung gebracht wird, um die gewünschte Temperatur des in der geschlossenen Schleife 12 umlaufenden Wassers aufrechtzuerhalten.

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Claims

Pat ent an aprü ehe

M. (Behälter zur Aufnahme von in einer Wärmepumpenanlage umlaufendem Wasser und zum steuern der Temperatur dieses Wassers, mit einem Gehäuse, das einen hohlen Innen raum zum Speichern des umlaufenden Wassers hat, einer Mehrzahl von elektrischen Taucherhitzern, die in dem Gehäuse angeordnet sind, um daa darin befindliche Wasser wahlweise zu erhitzen, und einem Röhrenwärmeaustauscher, der sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt, um das Wasser wahlweise zu kühlen, indem durch ihn ein Kühlmittel in nicht-berührender WärmeaustauschbeZiehung zu dem Wasser hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenwäruieaustauseher (32)

eine äußere Jffnung (46) zur Aufnahme des Wassers und eine innere öffnung (48) zur Abgabe des Wassers in das Innere des Gehäuses (28) aufweist und daß an den Behälter (18) eine Steuereinrichtung (30) angeschlossen i3t, am die Temperatur des Wassers arbeitsmäßig zu steuern und aufrechtzuerhalten und wahlweise die Taucherhitzer (34) zu betätigen oder den Fluß des Kühlmittels durch den Wärmeaustauscher (32) zu bewirken.
2. Warmepumpenanlage mit einer Mehrzahl von wärmepumpen, die in verschiedenen Zonen anzuordnen sind, welche wahlweise erwärmt oder gekühlt werden sollen, und mit einer geschlossenen Wärmepumpenschleife, in welcher ein Wärmeaustauschmedium kontinuierlich umlaufen und durch jede der Wärmepumpen hindurchgehen gelassen wird, gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter (18), der in die geschlossene Heizpumpenschleife (12) geschaltet ist, um das Wärmeaustau3Chmedium aufzunehmen und abzugeben, eine Kühleinrichtung (38, 40, 32), die einen Kühlbehälter (32) aufweist, der sich durch den Speicherbehälter (18) hindurcherstreckt, wobei das Wäriueaustausch-

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medium in Wärmeauatauschbeziehung durch den Kühlbehälter (32) hindurchgehen soll, um durch diesen wahlweiae gekühlt zu werden, eine innerhalb des Speicherbehälter (18) angeordnete Heizeinrichtung (34), um daa in dem Speicherbehälter befindliche Wärmeauatauschmedium wahlweise zu erwärmen, und eine an dem Speicherbehälter (18) angebrachte Steuereinrichtung (30), welche die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung arbeitsmäßig steuert, um die Temperatur des Wärmeaustauschmediums innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu halten.
3· -Anlage nach -Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wärmepumpenanlage eine von der geschlossenen Wärmepumpenachieife (12) getrennte Kühlwassersealeife f (36) zum Umlaufenlassen von Kühlwasser gebildet idt, die den Kühlbehälter (32), einen Kühlturm (40), eine Umlaufpumpe (3B) und Verbindungsleitungen zwischen diesen aufweist, und daß der Kühlbehälter (32) ein Böhrenbehälter ist, durch welchen das Kühlwasser in nicht-berührender Wärmeauatauschbeziehung zu dem Wärmeaustauschmedium hindurch!' ließt»
4. Anlage nach -Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, .daß der Kühlbehälter (32) ein Gehäuse mit äußeren Kopfstücken an jedem -"^nde aufweist, das in die Kühlwasserschleife (36) geschaltet ist und ein Rohrbündel (42)

enthält, welches das eine Kopfstück mit dem ar.leren | Kopfstück verbindet, und daß das Gehäuse des Kühlbehälters (32) in die geschlossene Wärmepumpenschleife (12) geschaltet ist, um Wärmeaustauschmedium zu seiner Kühlung hindurchzuführen.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Kühlbehälters (32) an dem einen Ende eine äußere Verbindung (46) mit der geschlossenen Wärmepumpenschleife (12) aufweist, um Wärmeaustauschmedium im Gejenstrom zu dem in dem Rohrbündel (42) fließenden Kühlwasser aufzunehmen, und daß das Gehäuse an seinem

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anderen Ende eine Innerhalb des Speichertehältera (18) liegende Öffnung (48) aufweist, um das Wärineausiaisch- !Dedium in das Innere des Speicherbehälters abzugeben.

60 Anlage nach Anspruch 2, bei welcher die Heizeinrichtung aus einer Mehrzahl von elektrischen Taucherhitzern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) so ausgebildet iat, daß sie einen oder mehrere der elektrischen Taucherhitzer (34) betätigt, wenn ein Erhitzen des Wärmeaustauschmediums erforderlich ist«

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